CN105656536A - 全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，包括第一步：不同长度导频序列设计，第二步：相干时间内信道使用的时序设计和第三步：下行波束赋形向量设计；导频序列设计使得不同长度的导频在相互重叠部分满足正交性，为多长度导频的使用打下基础；时序设计实现了多长度导频的使用；下行波束赋形向量设计消除了在多长度导频使用过程中，相邻基站之间的干扰。本发明实现了在蜂窝网中多长度导频的使用，使整个网络性能得到提升，也减小导频污染对系统的影响。

Description

全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，尤其是在蜂窝网系统中基于全双工大规模天线阵的对抗导频污染的方法。

背景技术

大规模天线阵是面向5G提升蜂窝网吞吐量的一项热点技术，其主要优势包括简易预编码，高频谱效率。简易编预编码是指，由于天线数趋于很多(无穷)时，用户到基站的信道趋于正交，系统很多性能变得与大尺度有关且与小尺度无关。在信道估计和波束赋形方面，LeastSquare(LS),MinimumMeanSquareError(MMSE),MaximalRatiocombination(MRC),Zeroforcing(ZF)这类简单的编码方法即可接近最优。高频谱效率同时体现在上行与下行，下行方面大规模天线阵可将能量聚集在目标区域，故所有用户可以同时使用相同的频谱资源接收各自数据而相互干扰很小；上行方面由于信道趋于正交，经过不同信道同时上传的数据可被依次提取。

全双工是面向5G的提升频谱效率的双工方式，通过消除自干扰来支持单天线、双天线、天线阵同频同时收发数据。

在蜂窝网中，导频长度的选择是一个重要方面。导频用于信道估计需要具有互相区分性即正交性。正交的导频数取决于导频向量的维度即长度。在一个信道相干时间内，无线信道的状态信息不变，系统需要通过导频获得无线信道的状态信息，并用于此相干时间的无线数据传输。在蜂窝网TDD模式中，相邻小区用户同时发送导频序列，基站在接收到导频序列后进行信道估计。较长的导频序列有更好的区分性，即复用相同导频序列的用户数较少，但其占用更多的时间资源，相干时间内数据传输时间变少。较短的导频序列占用时间资源少，但是复用的用户多，导致信道估计不准确。

在已有的蜂窝网或多用户MIMO(MU-MIMO)中，对于导频的长度已经有一些解决方案。通过对不同的场景中相干时间长度与复用导频用户数的trade-off，找到系统最优的导频长度。针对通用的场景，经过仿真可得到，用户最优的导频长度在几个值中分布。如果使用多长度导频，相比于单一长度系统导频，系统更能满足各个用户对导频长度的需求。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法。

根据本发明提供给的一种全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，包括如下步骤：

增长导频长度步骤：在不改变原有导频序列的基础上，对选中的原有导频序列增加一段附加导频序列以增长原有导频序列的长度；为了用以区别，称增加了附加导频序列的原有导频序列为长导频，称原有导频序列为短导频；

相干时间内信道使用步骤：将使用长导频的用户归为长导频组用户，将使用短导频的用户归为短导频组用户；根据长导频组用户在传送附加导频序列时对基站上、下行链路的选择，采用第一时序或者第二时序：

所述第一时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，基于基站天线阵的全双工能力，基站向短导频组用户发送下行数据；在附加导频序列全部传送完成后，长导频组用户与短导频组用户同时与基站进行上行、下行数据传送；

所述第二时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，短导频组用户向基站传送上行数据；在附加导频序列全部传送完成后，基于基站天线阵的全双工能力，基站同时与长导频组用户、短导频组用户进行交错的数据传送；

下行波束赋形向量构建步骤：通过基站与基站之间的测量信道，得到基站与基站的信道矩阵；根据信道估计结果，使用波束赋形方法得到下行波束赋形向量；通过将下行波束赋形向量投影到基站与基站视线信道的信道矩阵的零空间，得到新的波束赋形向量。

优选地，在所述增长导频长度步骤中：

根据附加导频序列的内积，使每一个选中的短导频通过增加不同的附加导频序列从而构成两个相互正交的长导频，使不同的短导频通过增加附加导频序列所构成的长导频之间也正交；

针对同一个短导频的两个附加导频序列的内积为短导频自身内积的相反数；

针对不同短导频的附加导频序列内积为0；

附加导频序列长度为选中短导频的数目。

优选地，在所述增长导频长度步骤，选择短导频的方法是：

构造导频质量系数，该导频质量系数正比于使用短导频的用户自身信道质量，反比于该短导频所受污染的情况；

经过排序，选择导频质量系数最大的一组短导频。

优选地，所述短导频所受污染的情况，是指：相邻小区使用同样短导频的用户到本小区基站信道质量之和；

所述信道质量对于平坦衰落信道而言，是指慢衰落系数的平方。

优选地，所述交错的数据传送，是指：当短导频组用户发送上行数据时，长导频组用户接收下行数据；当短导频组用户接收下行数据时，长导频组用户发送上行数据。

优选地，所述基站与基站的信道矩阵，是指：非满秩的视线信道矩阵与满秩的非视线信道矩阵之和。

优选地，对原有导频序列增加附加导频序列的方法，包括：

假设每个小区内用户数为K，即短导频数目为K，所有短导频有内积，即：

其中，表示短导频矩阵，φ_s(i)表示短导频矩阵φ_s的第i列，即第i个用户使用的短导频，φ_s(j)表示短导频矩阵φ_s的第j列，即第j个用户使用的短导频，上标表示矩阵的共轭转置；表示K行K列复数矩阵；

附加导频序列满足如下矩阵：

其中，表示附加导频序列矩阵，上标表示矩阵的共轭转置，T表示附加导频序列长度以及被选中的短导频数目，T＜K；表示T行T列复数矩阵；

假设被选中的短导频的序号分别为k₁,k₂,...,k_T，

添加附加导频序列的操作如下：

${\mathrm{\φ}}_l\left(i\right)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a\left(i\right)$

${\mathrm{\φ}}_l(2T+1-i)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a(2T+1-i)$

i＝1,2,...,T

k_i∈{k₁,k₂,...,k_T}

其中，表示长导频矩阵，φ_l(i)表示长导频矩阵第i列，即第i个长导频；φ_s(k_i)表示短导频矩阵第k_i列，即第k_i个长导频，符号表示将符号右侧向量以顺序的形式添加到符号左侧向量的末尾，φ_a(i)表示附加导频序列矩阵第i列，φ_l(2T+1-i)表示长导频矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个长导频，φ_a(2T+1-i)表示附加导频序列矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个附加导频序列，i表示序号，k_i表示选中的短导频的序号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明实现了在蜂窝网中多长度导频的使用，使整个网络性能得到提升，也减小导频污染对系统的影响。

2、本发明适用于以任意设计准则设计的短导频。

3、本发明中不同长度导频序列设计，使得不同长度的导频在相互重叠部分满足正交性，为多长度导频的使用打下基础；下行波束赋形向量设计消除了在多长度导频使用过程中，相邻基站的干扰。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为第一时序的示意图。

图2为第二时序的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明针对全双工大规模天线阵，提出了一种多长度导频机制的实现方法，包括第一步：不同长度导频序列设计，第二步：相干时间内信道使用的时序设计和第三步：下行波束赋形向量设计；导频序列设计使得不同长度的导频在相互重叠部分满足正交性，为多长度导频的使用打下基础；时序设计实现了多长度导频的使用；下行波束赋形向量设计消除了在多长度导频使用过程中，相邻基站的干扰。本发明实现了在蜂窝网中多长度导频的使用，使整个网络性能得到提升，也减小导频污染对系统的影响。

根据本发明提供给的一种全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其包括如下步骤：

增长导频长度步骤：在不改变原有导频序列的基础上，对选中的原有导频序列增加一段附加导频序列以增长原有导频序列的长度；增加了附加导频序列的原有导频序列称为长导频，原有导频序列称为短导频；

相干时间内信道使用步骤：将使用长导频的用户归为长导频组用户，将使用短导频的用户归为短导频组用户；根据长导频组用户在传送附加导频序列时对基站上、下行链路的选择，采用第一时序或者第二时序：

所述第一时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，基于基站天线阵的全双工能力，基站向短导频组用户发送下行数据；在附加导频序列全部传送完成后，长导频组用户与短导频组用户同时与基站进行上行、下行数据传送；

所述第二时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，短导频组用户向基站传送上行数据；在附加导频序列全部传送完成后，基于基站天线阵的全双工能力，基站同时与长导频组用户、短导频组用户进行交错的数据传送；

下行波束赋形向量构建步骤：通过基站与基站之间的测量信道，得到基站与基站的信道矩阵；根据信道估计结果，使用常规的波束赋形方法(例如：最大比合并maximumratiocombining)得到常规的下行波束赋形向量；通过将下行波束赋形向量投影到基站与基站视线信道(LOS:line-of-sight)的信道矩阵的零空间，得到新的波束赋形向量。

在所述增长导频长度步骤中：

根据附加导频序列的内积，使每一个选中的短导频通过增加不同的附加导频序列从而构成两个相互正交的长导频，使不同的短导频通过增加附加导频序列所构成的长导频之间也正交；

针对同一个短导频的两个附加导频序列的内积为短导频自身内积的相反数；

针对不同短导频的附加导频序列内积为0；

附加导频序列长度为选中短导频的数目。

优选地，在所述增长导频长度步骤，选择短导频的方法是：

构造导频质量系数，该导频质量系数正比于使用短导频的用户自身信道质量，反比于该短导频所受污染的情况；

经过排序，选择导频质量系数最大的一组短导频。

优选地，所述短导频所受污染的情况，是指：相邻小区使用同样短导频的用户到本小区基站信道质量之和；

所述信道质量对于平坦衰落信道(flat-fading)而言，是指慢衰落(或大幅度衰落large-scalefadingcoefficient)系数的平方。

所述交错的数据传送，是指：当短导频组用户发送上行数据时，长导频组用户接收下行数据；当短导频组用户接收下行数据时，长导频组用户发送上行数据。

所述基站与基站的信道矩阵，是指：非满秩的视线信道(LOS:line-of-sight)矩阵与满秩的非视线信道(NLOS:none-line-of-sight)矩阵之和。

在一个优选的具体实施方式中，假设每个小区内用户数为K，即短导频数目为K，所有短导频有内积，即：

其中，表示短导频矩阵，φ_s(i)表示短导频矩阵φ_s的第i列，即第i个用户使用的短导频，φ_s(j)表示短导频矩阵φ_s的第j列，即第j个用户使用的短导频，上标表示矩阵的共轭转置；表示矩阵(可进一步限定为复数矩阵)，上标K×K表示复数矩阵的行、列数；

附加导频序列满足如下矩阵：

其中，表示附加导频序列矩阵，T表示附加导频序列长度以及被选中的短导频数目，T＜K；

假设被选中的短导频的序号分别为k₁,k₂,...,k_T，

添加附加导频序列的操作如下：

${\mathrm{\φ}}_l\left(i\right)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a\left(i\right)$

${\mathrm{\φ}}_l(2T+1-i)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a(2T+1-i)$

i＝1,2,...,T

k_i∈{k₁,k₂,...,k_T}

其中，表示长导频矩阵，φ_l(i)表示长导频矩阵第i列，即第i个长导频；φ_s(k_i)表示短导频矩阵第k_i列，即第k_i个长导频，符号表示将符号右侧向量以顺序的形式添加到符号左侧向量的末尾，φ_a(i)表示附加导频序列矩阵第i列，φ_l(2T+1-i)表示长导频矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个长导频，φ_a(2T+1-i)表示附加导频序列矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个附加导频序列，i表示序号，k_i表示选中的短导频的序号；

下面对第一时序、第二时序进行举例描述。

第一时序：结合附图1，在前8个信道使用时间内所有用户传输各自的短导频，在短导频传输结束之后，使用{k₁,k₂,...,k_T}序号(即序号6、7、8)的短导频用户发送附加导频序列。此时，基站向其余用户发送下行数据。在附加导频传输完成后，所有用户同时进行上行、下行数据传输。

第二时序：结合附图2，在前8个信道使用时间内所有用户传输各自的短导频，在短导频传输结束之后，使用{k₁,k₂,...,k_T}序号的短导频用户发送附加导频序列。此时，其余用户向基站发送上行数据。在附加导频传输完成后，长导频组用户与短导频组用户交错上行、下行数据传输。

下面对下行波束赋形向量进行举例描述。

基站与基站之间的信道：

$h_{il}=h_{il}^{LOS}+h_{il}^{NLOS}$

其中，表示i号基站与l号基站之间的信道，表示视线信道(LOS:line‐of‐sight)，表示非视线信道(NLOS:none‐line‐of‐sight)；

将基于最大比合并的波束赋形向量更改为投影到基站与基站Line‐Of‐Sight(LOS)的零空间的最大比合并波束赋形向量：

$w_{kl}=\frac{{\stackrel{\‾}{h}}_{il}^{LOS}{\hat{g}}_{lkl}}{\left|\right|{\stackrel{\‾}{h}}_{il}^{LOS}{\hat{g}}_{lkl}\left|\right|}$

其中，w_kl表示l号小区对于本小区第k号用户的新的下行波束赋形向量，表示l号小区对于本小区第k号用户的下行波束赋形向量，||·||表示矩阵的Frobenius范数，I表示维度为M的单位矩阵，表示视线信道(LOS:line-of-sight)。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

增长导频长度步骤：在不改变原有导频序列的基础上，对选中的原有导频序列增加一段附加导频序列以增长原有导频序列的长度；为了用以区别，称增加了附加导频序列的原有导频序列为长导频，称原有导频序列为短导频；

相干时间内信道使用步骤：将使用长导频的用户归为长导频组用户，将使用短导频的用户归为短导频组用户；根据长导频组用户在传送附加导频序列时对基站上、下行链路的选择，采用第一时序或者第二时序：

所述第一时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，基于基站天线阵的全双工能力，基站向短导频组用户发送下行数据；在附加导频序列全部传送完成后，长导频组用户与短导频组用户同时与基站进行上行、下行数据传送；

所述第二时序，具体为：在长导频组用户传送附加导频序列阶段时，短导频组用户向基站传送上行数据；在附加导频序列全部传送完成后，基于基站天线阵的全双工能力，基站同时与长导频组用户、短导频组用户进行交错的数据传送；

下行波束赋形向量构建步骤：通过基站与基站之间的测量信道，得到基站与基站的信道矩阵；根据信道估计结果，使用波束赋形方法得到下行波束赋形向量；通过将下行波束赋形向量投影到基站与基站视线信道的信道矩阵的零空间，得到新的波束赋形向量。

2.根据权利要求1所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，在所述增长导频长度步骤中：

根据附加导频序列的内积，使每一个选中的短导频通过增加不同的附加导频序列从而构成两个相互正交的长导频，使不同的短导频通过增加附加导频序列所构成的长导频之间也正交；

针对同一个短导频的两个附加导频序列的内积为短导频自身内积的相反数；

针对不同短导频的附加导频序列内积为0；

附加导频序列长度为选中短导频的数目。

3.根据权利要求1所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，在所述增长导频长度步骤，选择短导频的方法是：

构造导频质量系数，该导频质量系数正比于使用短导频的用户自身信道质量，反比于该短导频所受污染的情况；

经过排序，选择导频质量系数最大的一组短导频。

4.根据权利要求3所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，所述短导频所受污染的情况，是指：相邻小区使用同样短导频的用户到本小区基站信道质量之和；

所述信道质量对于平坦衰落信道而言，是指慢衰落系数的平方。

5.根据权利要求1所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，所述交错的数据传送，是指：当短导频组用户发送上行数据时，长导频组用户接收下行数据；当短导频组用户接收下行数据时，长导频组用户发送上行数据。

6.根据权利要求1所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，所述基站与基站的信道矩阵，是指：非满秩的视线信道矩阵与满秩的非视线信道矩阵之和。

7.根据权利要求1所述的全双工大规模天线阵多长度导频机制通信方法，其特征在于，对原有导频序列增加附加导频序列的方法，包括：

假设每个小区内用户数为K，即短导频数目为K，所有短导频有内积，即：

其中，表示短导频矩阵，φ_s(i)表示短导频矩阵φ_s的第i列，即第i个用户使用的短导频，φ_s(j)表示短导频矩阵φ_s的第j列，即第j个用户使用的短导频，上标表示矩阵的共轭转置；

附加导频序列满足如下矩阵：

其中，表示附加导频序列矩阵，上标表示矩阵的共轭转置，T表示附加导频序列长度以及被选中的短导频数目，T＜K；

假设被选中的短导频的序号分别为k₁,k₂,...,k_T，

添加附加导频序列的操作如下：

${\mathrm{\φ}}_l\left(i\right)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a\left(i\right)$

${\mathrm{\φ}}_l(2T+1-i)={\mathrm{\φ}}_s\left(k_i\right)\⊕{\mathrm{\φ}}_a(2T+1-i)$

i＝1,2,...,T

k_i∈{k₁,k₂,...,k_T}

其中，表示长导频矩阵，φ_l(i)表示长导频矩阵第i列，即第i个长导频；φ_s(k_i)表示短导频矩阵第k_i列，即第k_i个长导频，符号表示将符号右侧向量以顺序的形式添加到符号左侧向量的末尾，φ_a(i)表示附加导频序列矩阵第i列，φ_l(2T+1-i)表示长导频矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个长导频，φ_a(2T+1-i)表示附加导频序列矩阵第2T+1-i列，即第2T+1-i个附加导频序列，i表示序号，k_i表示选中的短导频的序号。